氧化锌基薄膜晶体管的进展与挑战

◎田思野 刘作淋 肖丹 胡小强 周路＊

透明电子学由于其优异的电学性能在下一代高性能平板显示应用中受到了广泛的关注和研究。在显示应用中，薄膜晶体管(TFT)作为控制像素的基本单元发挥着重要作用。其中，基于氧化物的TFT具有高迁移率，良好的透明性，优异的均匀性和较低的加工温度，已成为有前途的候选材料，并逐渐取代了常规的非晶态和多晶硅TFT。本论文简要介绍了TFT器件的结构和工作原理，讨论了氧化锌基TFT的当前问题和挑战。

引言：透明氧化物半导体具有巨大的潜在应用，例如太阳能电池，固态传感器，平板显示器，智能窗，电致变色器，可穿透性的电子设备。通过使用高性能透明氧化物半导体，可以实现具有更高像素密度(更高分辨率)和更高刷新频率的透明显示器。此外，可以通过使用透明氧化物半导体来构建节能显示器，这使人可以像玻璃一样直视面板，并且由于消除了背光，其功耗也减少了90%。因此，氧化物电子器件是非晶硅和有机半导体的有希望的替代品，可用于构建更可靠的薄膜晶体管和更复杂的电子电路，从而应对超高分辨率，超大尺寸，低成本和环保的电子产品的挑战。

一、TFT器件的结构和工作原理

1.TFT器件的结构。TFT是三端的场效应器件，其工作原理在操作和组成层方面与其他场效应器件非常相似，例如MOSFET。这三个端子分别称为源极，漏极和栅极。当在MOSFET的栅电极上施加电压时，载流子会注入到电介质/半导体界面附近，与栅电介质和半导体一起形成平行板电容器结构。然后，通过调制半导体通道(称为场效应)来控制两个电极(源极和漏极)之间的电流。与MOSFET不同，TFT的源极和漏极区域没有p-n结，并且调制是通过积累层实现的，而在MOSFET中，必须在靠近介电/半导体界面的地方形成反转区域。另外，这两个器件的衬底材料和制造温度也很不同。

TFT的典型结构如图1所示，可根据栅电极的位置分为顶栅(TG)和底栅(BG)类型。对于每种类型，可以根据三个电极相对于半导体的相对位置进一步分为共面(C)和交错(S)类型。对于C-TG和C-BGTFT结构，半导体/电介质界面直接接触源极和漏极，表明电流在单个平面中水平降低。相反，对于S-TG和S-BG结构，源极和漏极接触半导体/电介质界面的相对侧，这表明电流在两个平面中较低：垂直于沟道，然后从水平方向从源极流向漏极。

图1 TFT的典型结构

2.TFT器件工作原理。如图2所示，可以从TFT的输出和转移特性曲线中提取一些重要参数来评估器件特性，包括电流开关比、阈值电压、开启电压、亚阈值摆幅和迁移率。（1）开/关电流比。通/断电流比(ION/IOFF)通常定义为最大IDS与最小IDS之比(通常在饱和区域)，可以从传输特性曲线中提取出来。通常，对于数字电路，该值大于106或更大，但是对于模拟电路，该值104已足够。（2）阈值电压。阈值电压(VTH)是在TFT中介电层/有源层界面附近形成的累积层或导电通道时的VGS值。在氧化锌基TFT中，如果VTH为正/负，则指定器件以增强/耗尽模式工作。增强型设备和耗尽型设备均可在电路中使用，但最好使用增强模式，因为不需要额外的VGS来导通晶体管，从而简化了电路设计并降低了功耗。（3）开启电压。导通电压（VON）简单地定义为用于漏极电流传导的VGS，简单地对应于IDS-VGS对数图中所示IDS开始增加的VGS或TFT完全关闭时所对应的的VGS。（4）亚阈值摆幅。亚阈值摆幅(SS)是一个重要参数，它指示晶体管的开关效率。SS与介电/半导体界面的质量直接相关，并被定义为传输特性最大斜率的倒数，并且由将IDS增加十倍所需的VGS决定。SS值越低，操作速度越快，功耗也越低。（5）迁移率。迁移率(μFE)是与材料中载流子传输效率有关的参数，它直接影响最大IDS和设备的工作频率。迁移率受多种散射机制的影响，包括晶格振动、离子杂质、晶界、界面表面粗糙度、晶格应变和其他结构缺陷以及速度饱和和电子俘获。结果，沟道迁移率可能不是恒定的，并且可能随VDS和VGS的变化而变化。在实际的TFT中，迁移率随电压而变化需要定义几种类型：有效迁移率、场效应迁移率和饱和迁移率。因此，μFE因其计算简单而成为评估TFT性能的最广泛使用的参数。

图2氧化锌基TFT的典型输出特性曲线和转移特性曲线

二、氧化锌基TFT的当前问题和挑战

在过去的几十年中，在n型氧化锌基TFT的研究领域中已经取得了巨大的进步。但是，仍然存在一些问题和挑战：1.工艺温度是影响TFT批量生产的重要因素，特别是对于易弯曲的塑料基板上的TFT。尽管已经成功地采用了几种低温方法来制造n型氧化物膜，但是它们仍然难以应用于工业化生产中。2.为了实现新型的大面积且具有低成本的应用，例如可折叠和可打印的显示器，一次性智能标签和智能包装，真空处理技术需要被具有更高吞吐量的连续过程所取代。3.在未来的研究方向上，需要解决几个关键领域，包括高断态电流，高界面缺陷/状态和低迁移率。4.尽管已经进行了一些基于计算机的材料设计仿真并得到了报告，但是应该对具有潜在更高的空穴迁移率和易于进行n型掺杂的潜在n型氧化物材料进行更多的计算研究。

三、总结

过去十年见证了n型氧化锌基半导体和相关光电子设备的巨大进步。在这篇综述中，我们说明并讨论了用于n型TFT的结构设计与工作原理，氧化锌基TFT原则上在许多已讨论的应用中具有重要潜力，包括低功率电子设备，透明/柔性电子设备，高性能显示应用等。尽管仍有很多工作要做，但是最近几年该领域的发展速度已经加快，这表明基于n型氧化锌基的TFT技术将在未来的电子场景中发挥关键作用。